如何用QUBE-Servo 2進行項目學習(PBL)
由Michel Levis應用工程師
自7年前首次發布以來,我們的QUBE-Servo 2(便攜式旋轉伺服)發布以來,被全世界各大高校廣泛應用。它的標準模塊以及符合ABET標準的配套課程設計,讓老師們輕松并順利完成控制專業課程的標準實驗。同時,由于QUBE的靈活性和開放結構,很多高校也在用它完成PBL(基于項目的學習)的實驗教學,用于鼓勵學生創新,培養學生復雜系統思考的能力。
我們的應用工程師Michel Levis在下面這篇文章中,與我們分享了如何基于QUBE設計一門融入機械設計、視覺、控制、通信等學科內容的PBL實驗教學,整個實驗設計完成后,教師可以根據教學內容的深淺,進行具體實驗內容的設計,從而讓這門實驗課程覆蓋到大學四年不同階段的要求,乃至研究生教學。
附有慣性盤和倒立擺模塊的QUBE-Servo 2
項目概述
為了驗證以上觀點,我決定為QUBE-Servo 2開發一個經典的球桿項目。從控制的角度來看,使用電機控制球在桿上保持平衡會帶來一系列前所未有的挑戰。該項目允許學生設計自己的桿,并使用攝像頭實現基于視覺的球桿控制(原理圖和實際模型如下所示)。我設計的系統由直接安裝在直流電機輪轂上3D打印的L形桿和標準的乒乓球組成,但設計過程中,學生和老師可以使用不同類型的桿和球。
球桿系統的原理圖及實際模型
本項目所涉及的各個任務高層視圖如下所示。它包括桿組件的機械設計,實現球桿平衡的控制方案,以及圖像處理。
項目總覽
球桿控制回路如下圖所示。球的位置使用攝像頭、圖像采集和處理軟件工具(例如:QUARC中的Video Capture模塊)進行測量。外環:球的位置控制器,根據測量出的球的位置,計算出將球穩定在期望位置所需的伺服角度;內環:伺服位置控制器,根據編碼器測量的當前電流角度,施加跟蹤球位置所需的伺服角度電壓。
球桿控制回路
現代機電一體化系統設計方法
機電一體化系統是一種集成傳感器、執行器、計算能力和通信協議的智能系統。例如,無人機是機電一體化系統。它具有一個帶IMU傳感器的板載處理器和執行器。
現代機電一體化系統組件
基于上述定義,我們認為球桿系統也是一個機電一體化系統,因為它包含以下組件:
●傳感器:QUBE-Servo 2 編碼器和球的位置傳感器(例如:攝像頭)
●執行器:QUBE-Servo 2 直流電機
●計算:在 電腦、筆記本電腦、數據處理器上運行控制器
●通信:QUBE-Servo 2 USB數據采集(DAQ)設備
完成項目所需的軟件資源可分為三組:控制平臺、工具箱和基礎模塊。
軟件定義
為了適用于不同知識水平的學生(本科生和研究生),老師可以選擇提供什么,下面是一個示例細分:
級別1 |
本科大一或大二 |
●提供完整控制器支持 ●進行調優或測試,無需設計 |
級別2
|
本科大三或大四 |
●提供軟件工具箱支持 ●使用工具箱設計控制器 |
級別3 |
研究生或高級本科項目 |
●提供基礎模塊 ●根據基礎模塊設計控制器 |
例如,如果使用 MATLAB/Simulink和QUARC 實現此項目,則根據預期級別,學生可以執行以下操作:
●級別1:提供完整的Simulink 模型(即控制器)。學生將測試模型并調優值。無需進行重大設計修改。
●級別2:老師提供包括軟件子系統的Simulink 庫(即工具箱)。學生使用庫中預定義的 Simulink 子系統模塊來設計任務。
●級別3:老師可能會為某些任務提供一些組件,但在大多數情況下,學生需要自己會使用基礎模塊。學生需要根據“Fundamentals”和QUARC Targets庫中的Simulink模塊設計控制器。
為了幫助老師實施此項目,我們整合了以下資源:
●教師指南:Excel 電子表格,詳細說明了三個不同級別的項目中每個任務的文檔和軟件。
●PPT:完成整個控制設計和實現過程,老師們可以決定使用哪些幻燈片與學生共享或用作教學。
●控制器:MATLAB 腳本、Simulink 模型和 Simulink 庫。這些文件分為“設計”和“調優”類型文件。“設計”文件使用基礎模塊,在這種情況下,基礎模塊是Simulink模塊和QUARC中的 Target模塊,“調優”文件使用組件或預制的Simulink庫。
●視頻:說明性視頻,演示設計過程的所有步驟。
老師們可以使用“教師指南”電子表格,根據他們的經驗決定提供給學生的文件。例如,如果該項目是由僅學習一門控制系統課程的大三學生完成的,老師可以選擇為學生提供不同的組件(Simulink庫)以完成與伺服運動控制和球桿系統相關的任務。
目前已經有Quanser用戶完成了類似類型的項目,例如NYIT(請參見下文)。此項目添加到現有課程的實驗室中,被指定為最后一年的團隊項目,用于課程"沖刺"等。
如何獲得訪問權限?
這是一個非常靈活的以項目為基礎設計挑戰,可以針對具有不同經驗水平和背景的學生進行擴展。它可以添加到現有課程的實驗室中,分配為最后一年的團隊項目,在課程"沖刺"中使用等等。
如果您有興趣運行此項目或了解可用項目,請通過:info@quanser.com 或vivian.wang@quanser.com 聯系我們,主題為" QUBE-Servo 2 Ball and Beam Design Project"。我們的Quanser工程師將與您聯系,并向您展示如何開始使用。
我們還有一個"快速入門"版本,允許您運行完整的控制器,并看看它是否適合您的課程。硬件和軟件要求如下。
硬件/軟件要求
●MATLAB/Simulink
●QUARC基礎版
●QUBE-Servo 2
●攝像頭
●球桿(例如:帶有乒乓球的3D打印連桿)
關于 NYIT 球桿項目
這個基于項目的學習方法首先由紐約理工學院(NYIT)電氣和計算機工程系副教授 Ziqian (Cecilia) Dong 在2011年和2012年春季完成的,用于EENG 491大四設計項目。
本科四年級學生通過使用旋轉伺服基礎單元、球桿系統以及QUARC 實時控制軟件進行控制系統的設計和實現。學生們幾乎沒有控制系統的經驗,甚至許多人從未使用過MATLAB /Simulink。在學習了控制系統的設計和實現之后,他們使用不同的球位置傳感技術設計了他們自己的2 DOF球平衡器系統。有關更多詳細信息,請參閱Prof. Dong及其伙伴在2012年ASEE年度會議上提交的論文,題為" AC 2012-2956: Infusing the Curriculumwith Cutting Edge Technologies through Partnerships with Industry"
原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/CeuoD8LFC1CJdrK3Q7sDwg